一種硫化鎘/鈷-磷酸鹽復合光催化材料及其制備方法技術

本發明專利技術涉及一種硫化鎘/鈷?磷酸鹽復合光催化材料及其制備方法。一種硫化鎘/鈷?磷酸鹽復合光催化材料，它由硫化鎘納米棒和沉積在其表面的鈷?磷酸鹽無定形顆粒形成。其制備步驟如下：1)在超聲作用下將的硫化鎘納米棒分散于磷酸緩沖溶液中，得到硫化鎘的分散液，向其中加入六水合硝酸鈷水溶液前驅體，六水合硝酸鈷以鈷元素計為硫化鎘的1～20mol％，充分攪拌后得到前驅體溶液；2)將步驟1)得到的前驅體溶液用氙燈光照，隨后將溶液靜置直至黃色固體完全沉淀，將得到的沉淀經水和乙醇溶液洗滌，真空干燥，然后研磨至粉末即得。該復合材料在可見光的照射下表現出很高的光催化分解水產氫的能力，同時具有足夠的可見光光催化活性和穩定性。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及光催化材料合成
，具體涉及硫化鎘/鈷-磷酸鹽復合光催化材料及其制備方法。
技術介紹
由于化石燃料的快速消耗以及日益增長的環境污染，氫能作為一種對環境友好以及高燃燒能的燃料已引起了廣泛的研究興趣。雖然大量的半導體材料已被廣泛的應用于光催化分解水，其中對太陽光的利用大部分都僅限于紫外光(占太陽光的4％)，為了有效利用太陽能，人們迫切需要設計和發展可以吸收可見光(占太陽光中的50％)的光催化劑。金屬硫化物擁有非常合適的禁帶寬度以及其卓越的催化性能，近年來已引起了廣泛的興趣。其中硫化鎘禁帶寬度僅為2.4eV是對于光催化產氫最有效的可見光催化劑，且其導帶位置的過電勢足以將氫離子還原成氫氣。但是由于硫化鎘中的光生電子和空穴的快速復合，人們經常使用貴金屬共催化劑來提高其光催化產氫性能。然而貴金屬非常稀少且價格昂貴，并不是一直理想的共催化劑，人們迫切的需要一種可以替代貴金屬的地球上豐富的共催化劑。在眾多的這些元素中，元素鈷在地球上的資源是極其豐富的，并且由于鈷的不同價態使其具有很好的空穴吸收能力以及氧化能力，因此如何將這種資源豐富的元素應用到光催化制氫中，并結合可見光吸收是目前亟需解決的問題。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是針對現有技術中存在的上述不足，提供一種硫化鎘/鈷-磷酸鹽復合光催化材料及其制備方法。其以硫化鎘納米棒為載體，采用光沉積的方法制備了硫化鎘/鈷-磷酸鹽復合光催化材料，該復合材料在可見光的照射下表現出很高的光催化分解水產氫的能力，同時具有足夠的可見光光催化活性和穩定性。為解決上述技術問題，本專利技術采用的技術方案為：提供一種硫化鎘/鈷-磷酸鹽復合光催化材料，它由硫化鎘納米棒和沉積在其表面的鈷-磷酸鹽(CoPi)無定形顆粒形成。按上述方案，硫化鎘納米棒為六方相結構，平均直徑在20～30nm。按上述方案，硫化鎘/鈷-磷酸鹽復合光催化材料中鈷含量為硫化鎘的0.95-15.3％(摩爾比)，優選為4.4-15.3％(摩爾比)。本專利技術還提供了上述硫化鎘/鈷-磷酸鹽復合光催化材料的制備方法，其步驟如下：1)在超聲作用下將的硫化鎘納米棒分散于磷酸緩沖溶液中，得到硫化鎘的分散液，向其中加入六水合硝酸鈷水溶液前驅體，六水合硝酸鈷以鈷元素計為硫化鎘的1～20mol％，充分攪拌后得到前驅體溶液；2)將步驟1)得到的前驅體溶液用氙燈光照，隨后將溶液靜置直至黃色固體完全沉淀，將得到的沉淀經水和乙醇溶液洗滌，真空干燥，然后研磨至粉末即得。按上述方案，所述的硫化鎘納米棒的制備方法如下：配制乙二胺和水的混合溶液，將鎘鹽在超聲作用下分散在上述混合溶液中，再加入硫源，在室溫充分攪拌直至溶液均勻，然后在160℃～200℃保溫18～24小時，將所得的固體用水和乙醇充分洗滌，離心，真空干燥研磨制粉末狀固體。按上述方案，六水合硝酸鈷以鈷元素計優選為硫化鎘的5～20mol％。按上述方案，所述的硫化鎘/鈷-磷酸鹽復合光催化材料，其特征在于：所述的磷酸緩沖溶液為由磷酸氫二鈉和磷酸二氫鈉配制的中性磷酸緩沖溶液，濃度為0.1～1mol/L，磷酸緩沖溶液相對于六水合硝酸鈷過量。按上述方案，所述的硫化鎘-鈷-磷酸鹽復合光催化材料，其特征在于：六水合硝酸鈷水溶液的濃度為0.01～0.1mol/L。按上述方案，所述的硫化鎘-鈷-磷酸鹽復合光催化材料，其特征在于：六水合硝酸鈷水溶液逐滴加入至硫化鎘的分散溶液中。按上述方案，步驟(2)中真空干燥時間大于10h。按上述方案，所述步驟(2)中的光照時間為2～5h。本專利技術的有益效果在于：1、硫化鎘禁帶寬度僅為2.4eV，在光催化中可以有效的吸收可見光，利用太陽光進行光催化分解水。本專利技術通過磷酸根離子與硫化鎘表面的相互作用，以及磷酸根對鈷離子的吸附作用，有效的將硫化鎘與鈷聯系在一起，起中間連接及傳遞空穴的作用。在光催化作用過程中，鈷-磷酸鹽可作為一種空穴捕獲劑將空穴從硫化鎘處引導至鈷-磷酸鹽處使得鈷從低價態氧化成高價態，在接觸空穴犧牲劑的過程中，空穴犧牲劑捕獲其中的空穴又將鈷還原成低價態，電子在硫化鎘的價帶處還原氫離子產氫，以此循環，由此實現可見光催化分解水產氫的有效循環作用，并抑制硫化鎘的光腐蝕作用。本專利技術以鈷-磷酸鹽來代替常用的貴金屬作硫化鎘的共催化劑，其產氫性能優于貴金屬共催化劑沉積時的性能，成本低；長期使用穩定性良好，有效的解決了現有技術中太陽光利用效率低，成本昂貴，長期使用催化活性不穩定的問題。由此可以采用這種地球資源豐富的金屬鈷來取代貴金屬作為共催化劑在光催化產氫中發揮作用。2、本專利技術在中性無毒的磷酸緩沖溶液中，采用光沉積方法將鈷-磷酸鹽沉積至硫化鎘納米棒表面，簡單便捷。附圖說明圖1為本專利技術實施例1所制備的復合光催化材料的透射電鏡圖片；圖2為本專利技術實施例1所制備的復合光催化材料的高分辨透射電鏡圖片；圖3為實施例1所制備的復合光催化材料以及純硫化鎘的X射線衍射圖譜；圖4為實施例1所制備的復合光催化材料以及純硫化鎘在可見光條件下(波長λ≥400nm)光催化產氫性能圖；圖5為實施例1所制備的復合光催化劑的能譜分析圖譜。具體實施方式為使本領域技術人員更好地理解本專利技術的技術方案，下面結合附圖對本專利技術作進一步詳細描述。實施例11)配制60mL乙二胺和水(體積比為2：1)的混合溶液，將12.5mmol四水合硝酸鎘在超聲作用下分散在上述混合溶液中，再加入37.5mmol硫脲，在室溫在磁力攪拌器的作用下強力攪拌6小時至溶液混合均勻，之后將混合均勻的混合溶液轉移到100mL的聚四氟乙烯內襯的水熱釜中，然后在160℃保溫24小時。將所得的沉淀物用水和乙醇充分離心，洗滌，在真空干燥10小時后經瑪瑙研缽研磨制粉末狀固體得到硫化鎘納米棒。2)制備磷酸緩沖溶液：配制0.2mol/L的十二水合磷酸氫二鈉的水溶液；配制0.2mol/L的二水合磷酸二氫鈉的水溶液；取61mL步驟1)配置的磷酸氫二鈉溶液和39mL步驟2)配置的磷酸二氫鈉溶液混合均勻，取上述混合溶液50mL加入容量瓶中，加水稀釋至100mL，得中性磷酸鹽緩沖液。取50ml上述磷酸鹽緩沖液加入到三頸燒瓶中，將2mmol上述制得的硫化鎘納米棒加入其中，將三頸燒瓶密封后，超聲分散15分鐘使得硫化鎘納米棒均勻分散到上述緩沖溶液中。量取10mL濃度為0.02mol/L的六水合硝酸鈷溶液，滴加到上述硫化鎘納米棒分散的緩沖溶液中，同時將上述三頸燒瓶放置在強力磁力攪拌器上攪拌，繼續...

【技術保護點】
一種硫化鎘/鈷?磷酸鹽復合光催化材料，其特征在于：它由硫化鎘納米棒和沉積在其表面的鈷?磷酸鹽無定形顆粒形成。

【技術特征摘要】
1.一種硫化鎘/鈷-磷酸鹽復合光催化材料，其特征在于：它由硫化鎘納米棒和沉積在其
表面的鈷-磷酸鹽無定形顆粒形成。
2.根據權利要求1所述的硫化鎘/鈷-磷酸鹽復合光催化材料，其特征在于：硫化鎘納米
棒為六方相結構，平均直徑在20～30nm。
3.根據權利要求1所述的硫化鎘/鈷-磷酸鹽復合光催化材料，其特征在于：硫化鎘/鈷-
磷酸鹽復合光催化材料中的鈷含量為硫化鎘的0.95-15.3％(摩爾比)。
4.權利要求1所述的硫化鎘/鈷-磷酸鹽復合光催化材料的制備方法，其特征在于：步驟
如下：
1)在超聲作用下將的硫化鎘納米棒分散于磷酸緩沖溶液中，得到硫化鎘的分散液，向
其中加入六水合硝酸鈷水溶液前驅體，六水合硝酸鈷以鈷元素計為硫化鎘的1～20mol％，充
分攪拌后得到前驅體溶液；
2)將步驟1)得到的前驅體溶液用氙燈光照，隨后將溶液靜置直至黃色固體完全沉
淀，將得到的沉淀經水和乙醇溶液洗滌，真空干燥，然后研磨至粉末即得。
5.根據權利要求4所述的硫化鎘/鈷-磷酸鹽復合光催化材料的制備方法，其特征在于：
所述的硫化鎘納米棒的制備方法如下：配制乙二胺和水的混合溶液，將鎘鹽在超聲作用下分
散在上述混合溶液中，再加入硫源，在室溫充分攪拌直至溶液均...

【專利技術屬性】
技術研發人員：余家國，張軍，狄廷敏，
申請(專利權)人：武漢理工大學，
類型：發明
國別省市：湖北;42